JP3839297B2

JP3839297B2 - 研削方法

Info

Publication number: JP3839297B2
Application number: JP2001316844A
Authority: JP
Inventors: 尚之岸田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: JP2003117780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズムなどの脆性材料であるガラスからなる光学素子を研削する方法及び研削に用いる研削砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズやプリズムを製造する研削方法として、球面や平面形状を創成するためのカーブジェネレーティング加工（以下、ＣＧ加工）が行われている。このＣＧ加工は、カップ状のダイヤモンド砥石を、被研削物である光学ガラスに対して、所望の球面形状が創成できるような角度に傾斜させて配置し、工具および光学ガラスの両者を回転させながら球面形状を創成する方法である。
【０００３】
また、研削加工に際して、アルミニウムを結合材としたダイヤモンド砥石を用いることが、特許第３１１３５５７号公報に記載されている。図４はこの公報に記載されたＥＰＤ（ＥｌｅｃｔｏｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）研削方法を示す。
【０００４】
砥石としてのダイヤモンドブレード１には、ダイヤモンド砥粒の結合材としてアルミニウムが用いられている。図４に示すように、シリカからなる超微細砥粒１２を混合した加工液２中に導電性のダイヤモンドブレード１と被加工物５を配し、ダイヤモンドブレード１と加工液２との間に電荷をかけ、加工液２中に懸濁された超微細砥粒１２を帯電させることによって、砥粒１２をダイヤモンドブレード１に付着させながら、被加工物５を研削切断するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＧ加工においては、被加工物を加工するための研削能率と、研削によって得られる表面粗さ品質とは相反する関係にある。すなわち、研削能率を高めると得られる表面粗さが低下し、逆に表面粗さを向上させようとすると、研削能率が低下するものである。研削能率を向上させるためには、研削砥石が有する砥粒の突き出し量を大きくし、切り込み量を大きく確保する、あるいは砥粒を保持する結合材の強度を高め、大きな切り込み量に耐えられるようにする必要がある。
【０００６】
しかし、上述したように、切り込み量が大きくなれば加工能率は向上するが、得られる表面粗さが低下するものであり、特に、ガラスのような脆性材料では、加工領域での破壊（割れ）が発生するため、さらに表面粗さが低下する。逆に、切り込み量を小さくすれば表面粗さは向上するが、除去量が少なくなり加工能率が低下する。同時に砥粒の突き出し量を小さくして表面粗さを向上させようとすると、刃物となる砥粒が小さいことから、その突出量に見合った動作精度の高い装置が必要となり、加工能率が低いにも関わらず高額な設備が必要となり、コスト高な加工となる。
【０００７】
また結合材として樹脂を用いて砥石構造を柔らかくすると、結合材の弾性変形によって砥粒の突き出し量が見かけ上小さくなるため表面粗さは向上するが、結合材が柔らかく剛性が低いために砥粒保持力が小さくなり、砥粒脱落の発生や結合材の摩滅が激しくなり加工能率が低下すると共に、工具が早期に摩耗して工具の加工面に形状誤差が発生と共に、工具寿命が短くなる。
【０００８】
特許第３１１３５５７号公報で示すＥＰＤ研削切断方法では、加工液２中に懸濁された超微細砥粒１２を帯電させてダイヤモンドブレード１に付着させることにより加工能率と面粗さ向上との両立を行っている。しかしながら、ＥＰＤ研削切断方法では、電源装置によってダイヤモンドブレード１と加工液２との間に積極的に電荷をかけるため、電極や装置構成における絶縁機能などを既存の研削加工機に付加させる必要があり、構造及び制御が複雑となっている。
【０００９】
また、電源装置から供給される電荷により、ダイヤモンドブレード１で電気分解に伴う陽極溶出が発生する。このため、加工に伴う摩滅に加えて、ダイヤモンドブレード１の電気分解に伴う溶出による摩滅が発生する。これを抑えるため、上記公報では、ブレード表面にアノード皮膜を形成させている。安定した加工を行うためには、アノード皮膜の形成が不可欠であるが、逆にアノード皮膜をある程度の強度を確保しながら安定的に維持することが非常に難しく、特にブレードと陰極間の加工状況、すなわちブレードの表面状態や供給される加工液の量、圧力などの変動によって両極での通電量が影響を受け、加工作業が難しい状態になる。
【００１０】
安定したアノード皮膜を確保するためには、陽極であるブレードの結合材として純度の高いアルミニウムが必要となり、上記公報では、アルミニウム１００％の高純度の結合材を用いている。アルミニウムは既存の結合材であるブロンズやニッケル、鉄などより柔らかい金属であるため、ダイヤモンド砥粒を柔軟な状態で保持することが期待できるため、表面粗さを向上させる可能性を有している。しかしながら、実際は期待される柔軟性よりも展延性が高いことにより、ダイヤモンド砥粒を保持する能力が小さく、加工中にダイヤモンド砥粒の脱粒が発生し易い。従って、砥石の結合材としては不向きとなっている。
【００１１】
さらに、アルミニウムの純度が高くなると強度も低くなって、砥石としての強度不足や耐摩耗性不足となる。このため、アルミニウム１００％の高純度の結合材では、強固なアノード皮膜を形成させないで加工を行うことは困難となっている。
【００１２】
また、電気的に強固なアノード皮膜を形成すると、砥石表面が硬くなって強度が増すが同時に絶縁性も高くなり、コロイダルシリカ微粒子が付着しにくくなる。実際には、通電によって形成されたアノード皮膜が、研削加工力によって除去され、再び導電性を得ることから通電が回復し、再度アノード被膜の形成が生じ、この繰り返しが加工領域で行われる。しかし、このサイクルを加工領域で安定的に確保することは難しく、供給するコロイダルシリカ液の量や圧力、供給する方向などのわずかな環境変化で被膜形成の状態が影響を受け、安定した被膜形成、すなわち安定した加工を得ることは非常に困難となっている。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、高い研削能率と、良好な表面粗さと、高い耐摩耗性との３点を同時に成立させることが可能な研削方法及び研削砥石を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の研削方法は、アルミニウム及び酸化アルミニウムの少なくとも一方の粉末と珪素の粉末とを砥粒の結合材として具備する研削砥石を用い、酸化珪素粒子が分散し且つｐＨ値が３〜９の範囲の加工液を供給することで、ゼータ電位差によって前記研削砥石の表面に前記酸化珪素粒子を付着させながら被加工物を研削することを特徴とする。
【００１７】
【発名の実施の形態】
まず、本発明の具体的な実施の形態を説明する前に、発明の概要を説明する。本発明の概要は、アルミニウム及び酸化アルミニウムの少なくとも一方の粉末と珪素の粉末とを含有させた結合材を用い、アルミニウムが有する柔らかさと、珪素の含有に伴って生じる強度（耐摩耗性）を合わせて有した研削砥石を用いると共に、加工中に供給する加工液ｐＨを３〜９の範囲とすることで、加工液中の酸化珪素（ＳｉＯ _２）の微粒子（以下、酸化珪素）および研削砥石表面に酸化形成される酸化アルミニウム（Ａｌ _２Ｏ _３）が有するゼータ電位による電気泳動現象を利用して、電源装置を不要としながらも、砥石表面に酸化珪素を吸着させて加工を行うものである。なお、加工液としては、酸化珪素が分散したコロイド状溶液であるコロイダルシリカ液を用いられる。
【００１８】
本発明において、結合材に使用するアルミニウムは、ＪＩＳで規定される合金番号４０００系のアルミニウム合金素材に近いものであり、アルミニウムに珪素（Ｓｉ）を含有させることで、純アルミニウムより耐摩耗性を高めた構造となっている。
【００１９】
金属酸化物（酸化アルミニウム）のゼータ電位は、界面動電現象における荷電表面と液体との間のすべり面の電位であり、電気泳動現象における粒子の泳動速度などから求められる。粒子の表面電位などを実際に測定することができないため、電気均性質を論じる場合に、唯一計測できるゼータ電位が代用特性として用いられるものである。
【００２０】
また研削加工域に供給されるコロイダルシリカ液のｐＨを３〜９の範囲内とすることにより、液中の微粒子である酸化珪素（ＳｉＯ _２）のゼータ電位をマイナスに帯電させ、砥石表面に形成される酸化アルミニウム（Ａｌ _２Ｏ _３）をプラスに帯電することができる。これについては、２０００年９月２９日砥粒加工学会主催の第３回オープンシンポジウムで頒布されたテキスト『新しい微粒子の利用技術』示されている。
【００２１】
図１は、このテキスト中の『微粒子の分散技術』に掲載されたグラフであり、横軸がｐＨ値、縦軸がゼー夕電位となっている。図１に示すように、金属酸化物のゼータ電位がｐＨによって変化し、ｐＨを３〜９の範囲にすることにより、コロイダルシリカ液中に存在する酸化珪素（ＳｉＯ _２）がマイナスに、砥石表面に形成される酸化アルミニウム（Ａｌ _２Ｏ _３）がプラスに帯電する。従って、コロイダルシリカ液中でマイナスに帯電した酸化珪素は、同液中でプラスに帯電している酸化アルミニウムを表層に有する研削砥石に電気的に吸着される。
【００２２】
すなわち、研削加工域に供給するコロイダルシリカ液のｐＨ値を３〜９の範囲にすることで、液中に浮遊する酸化珪素の微粒子が、ゼータ電位差による電気泳動現象によって研削砥石の表面に付着する。これは、電位差による付着であるため、酸化珪素のゼータ電位と酸化アルミニウムのゼータ電位の差を大きくすることにより、より強力に吸着する。このため、コロイダルシリカ液のｐＨ値は、５〜８の範囲が最も良好であり、かつ早く吸着作用を発揮することができる。
【００２３】
また、アルミニウム、酸化アルミニウムを結合材に利用しているため、砥石に電荷を印加しなくとも、砥石表面には必ず空気中の酸素と結合した酸化アルミニウムの被膜が形成され、この被膜に酸化珪素の研磨材微粒子が付着する。
【００２４】
次に、本発明の具体的な実施の形態を図に基づいて説明する。図２は本発明の実施の形態で用いる研削砥石における珪素含有量を変化させた際の配合比であり、図３は珪素含有量による被加工物の表面粗さの変化である。なお、図３には、比較のために既存のブロンズボンド砥石で加工した際の表面粗さを併記してある。研削比とは、被加工物であるガラスを研削除去するのにどの程度砥石が摩耗するかを示す指標であり、ガラスの総研削除去量を砥石の総摩耗量で割った値である。
【００２５】
この実施の形態では、砥粒にダイヤモンド、結合材にアルミニウムと珪素を含有させた研削砥石を用い、ｐＨ３〜９の範囲に調整したコロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うものであり、研削装置自体は既存の装置を用いた。
【００２６】
研削砥石は、ダイヤモンド砥粒の結合材としてアルミニウム合金粉末を用い、成形・焼結することにより形成されている。このアルミニウム合金粉末は、高純度のアルミニウムに珪素元素を添加溶解して合金としたものであり、この合金を約１０〜５０μｍの平均粒径となるように粉末化して用いる。珪素元素を添加溶解する際に、体積比で０．５％（純アルミニウムではないが、珪素をほとんど含有しない）、１０％，２０％，４０％となるように配合して、それぞれ溶解を行い４種類の結合材を製造した。砥粒としてのダイヤモンドは、いずれの砥石でも＃６００の粒径を集中度１００になるように配合した。
【００２７】
加工中に供給するコロイダルシリカ液には、商品名「ＣＯＭＰＯＬ１２０」（（株）フジミインコーポレーテッド製）を用いた。このコロイダルシリカ液は、酸化珪素濃度が約４０ｗｔ％、平均粒径約７０〜９５Åであり、そのままではｐＨ１０の強アルカリ性を呈しているため、酸性物質を用いて中和することにより約８のｐＨで用いた。被研削物としては光学ガラスであるＢＳＬ７を用いた。
【００２８】
また比較対象として、既存のレンズ研削加工で用いられるブロンズボンド・ダイヤモンド砥石（以下、ブロンズボンド砥石）を用いた加工も行った。加工装置は既存のカーブジェネレーター（ＣＧ機）を用いた。
【００２９】
図２の珪素含有量に対する砥石の研削比で示すように、珪素含有率が最も少ない０．５％砥石に対して１０、２０、４０％の珪素を配合した砥石では、研削比が高く（大きく）なっている。なお、実験では珪素の含有量を２０％以上にすることで、高い研削比を得ることが確認できた。
【００３０】
アルミニウムに珪素を含有させると、ＪＩＳで規定される合金番号４０００系のアルミニウム素材に近くなり、アルミニウムのみの場合に比べて高い耐摩耗性を発揮することがわかっているが、この効果が砥石の結合材としても確認することができた。ＪＩＳ４０００系のアルミニウム合金としては合金番号４０３２があるが、これは珪素の含有量が１１．０〜１３．５％であり、型打鍛造品として広く用いられ、内燃機関のピストンなどに使用されるほど耐摩耗性に優れている。この実施の形態に用いる研削用砥石としては、合金番号４０３２より珪素含有量が多い領域で高い研削比が確認されている。特に、図２に示すように、２０％以上の珪素含有量で高い研削比、すなわち高い耐摩耗性が発揮されている。
【００３１】
なお、珪素含有率０．５％の研削砥石は、純アルミニウムには該当しないが、珪素含有率０．１％程度の純アルミニウムの砥石では、砥石としての強度不足から加工を行うことが困難であったため、純アルミニウムの代用として用いたものである。
【００３２】
図３の研削面粗さでは、前記研削比と同様にアルミニウムに対する珪素の含有量を体積比で、０．５、１０、２０、４０％にそれぞれ設定した砥石を用いて、光学ガラスであるＢＳＬ７を研削した。いずれにおいても平均表面粗さＲａが０．１μｍ以下と良好となっている。
【００３３】
この内、珪素含有量が極端に少ない０．５％と逆に含有量が多い４０％では、若干ではあるが、表面粗さが低下している。０．５％の含有量では、純アルミニウムに近い結合材であることから、砥石としての強度不足やダイヤモンド砥粒の保持能力不足などからダイヤモンド砥粒の脱粒が多発し、安定した研削加工を行うことが難しいものである。図２に示した研削比が小さいことからも解るように、含有率０．５％では、ダイヤモンド砥粒の脱粒や結合材の摩滅による砥石摩耗の大きいことから、研削加工面内に砥石の摩耗物（ダイヤモンド砥粒、結合材の粒子状物質など）が多く介在し、被加工物への大きなスクラッチ（キズ）発生を招き、このことにより表面粗さの低下が生じたと推測される。一方、珪素含有率４０％では、ダイヤモンド砥粒を保持力は強くなる反面、硬く脆くなる。そして、ダイヤモンド砥粒保持力が強すぎると共に、砥石の弾性変形が小さくなり、被加工物へのダメージが大きくなる。すなわち、ダイヤモンド砥粒が強固に支持されるため、被加工物の大きな脆性破壊を招くと同時に、結合材の破壊が生じた際には、含有率０．５％よりも大きく硬い排出物が発生し、これが加工部位に介在することにより、表面粗さの低下を招いたと推測される。
【００３４】
比較例としての図３におけるブロンズ砥石では、既存のＣＧ機にコロイダルシリカ液を供給して研削加工を行っても、平均表面粗さＲａが０．３〜０．４μｍのレベルであった。ブロンズ砥石の結合材であるブロンズのゼータ電位は現時点で不明であるが、コロイダルシリカ液中の酸化珪素微粒子が付着しないことから、プラスの電位を有していないと考えられる。従って被加工物であるＢＳＬ７との研削界面に酸化珪素微粒子が挟まれて擦れるのみで、電気的な付着力による微粒子の固定化がなされないため、充分な研磨作用が発揮されずに良好な鏡面を得ることができない。
【００３５】
この実施の形態の研削砥石においては、砥石表面に酸化珪素微粒子が付着・堆積するため、ダイヤモンド砥粒の突き出し量が見かけ上小さくなる。このため、ダイヤモンド砥粒の切り込み深さも小さくなり、より高い表面粗さを得ることができる。通常であれば突き出し量が小さくなることから目詰まり状態になり、結合材と被加工物であるレンズとが干渉・接触するような状態となるのに対し、この実施の形態では、砥石表面に酸化珪素微粒子が付着・堆積しているため、酸化珪素微粒子層が緩衝材の作用を行うため、焼き付きなどの問題が発生することもない。むしろ研磨材である酸化珪素微粒子が挟まれるために、大きな研磨力が作用して良好な加工面を得ることが可能となっている。
【００３６】
なお、この実施の形態では、結合材としてアルミニウムを用いたが、これに代えて、酸化アルミニウムを用いても良く、これにより、安定したゼータ電位を得ることができるため、コロイダルシリカ液中の酸化珪素粒子を確実に吸着することができる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、加工液中の酸化珪素粒子をゼータ電位によって砥石表面に吸着して加工を行うため、被加工物の研削能率を高くすることができると共に、良好な表面粗さとすることができる。
【００３８】
また、アルミニウムや酸化アルミニウムに加えて珪素を含有した結合材を用いるため、耐摩耗性の高い研削砥石とすることができる。
【００３９】
請求項３の発明によれば、良好な研削能率及び良好な表面粗さを有した研削砥石とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属酸化物が有しているゼータ電位とｐＨとの関係とを示す特性図である。
【図２】実施の形態における結合材中の珪素含有量に対する研削比を示す特性図である。
【図３】結合材中の珪素含有量に対する平均表面粗さを示す特性図である。
【図４】ＥＰＤ研削切断を示す断面図である。

Claims

アルミニウム及び酸化アルミニウムの少なくとも一方の粉末と珪素の粉末とを砥粒の結合材として具備する研削砥石を用い、酸化珪素粒子が分散し且つｐＨ値が３〜９の範囲の加工液を供給することで、ゼータ電位差によって前記研削砥石の表面に前記酸化珪素粒子を付着させながら被加工物を研削することを特徴とする研削方法。